最大程度地延长无线家庭自动化系统中的电池寿命

    楼宇和家庭自动化系统正在迅猛发展。“智能楼宇”技术是多种因素共同推动的结果。全球能源中有近40%消耗在楼宇的供暖、制冷和照明上。提高这些技术的效率对保护环境、节省资金非常有利。为此，政府和地方机构都在通过立法大力推行能效更高的楼宇。与这一立法活动同步前进的还有新兴技术，如LED照明、能量采集和越来越强的全球互联性，都在推动楼宇自动化的发展。
    图1介绍了智能楼宇系统。智能楼宇的关键因素是部署更多传感器来监控和测量温度、运动、占位、光线。掌握这些条件后，智能楼宇就能实现通信并控制灯具、HVAC(暖通空调)、百叶窗和其他楼宇元件，以优化性能。

图1 采用无线传感器和控制的智能楼宇

    部署无线传感器显然很有吸引力，因为它比布线更便宜、更灵活，而且更易于实施。添加大量无线传感器后，楼宇内便需要大量电池或能量采集器件。本文欲研究将无线传感器功耗降至最低，从而延长电池寿命的方法。同时考虑那些容易被忽略但对电池寿命和系统性能具有重大影响的参数。文中还将探讨功率转换、RF性能、通信协议等主题。
功耗(IDD)
    传统上，开发新设计时，工作功耗(IDD)是系统设计人员首先要考虑的事情。然而，除非元件持续工作，否则该数值对系统的功率预算或平均功耗没有太大影响。
    在系统长时间处于休眠模式的应用中，应该更多注重使用模式、功率预算和平均功耗。也就是考虑不同休眠模式的功耗、系统在每种状态下可能耗费的时间。甚至进入和退出不同工作模式的转换时间也可能显著影响平均功耗。虽然正常工作模式下的工作电流IDD是一项重要因素，但却不是选择最合适器件的唯一准则。
    功率预算可能是系统设计人员需要考虑的最重要因素。它包括计算系统在全工作模式、计算模式、通信模式、待机模式等模式下需要停留的时间。此过程通常从一些基本技术规格开始，例如需要执行计算和通信的频率以及电池要容纳的能量。
    一般而言，系统大部分时间处于待机模式，仅在外部事件触发时或周期性地唤醒，然后实施测量并将数据发送至主机系统。为此，休眠模式电流规格或静态电流规格(IQ)非常重要。表1和表2提供了可用于电池供电传感器应用的功率预算的示例。表格按不同工作模式细分，显示了其功耗对整体系统的影响。

    过去，IC公司重点关注IDD，而不太注意IQ。但随着电池供电器件的普及，半导体行业迫切需要尽可能地降低IQ值。这需要结合智能IC设计与更新、更小的IC几何尺寸来考虑。而IQ规格的理想目标值范围很广，要视IC的复杂度而定。不过，数百纳安(nA)级的IQ目前已很常见，某些公司甚至称可以达到皮安(pA)级。
    这一追求更低功耗的趋势在微控制器开发领域十分明显。与较早的ARM7产品相比，Cortex M3和M4等最新微控制器内核更适合电池供电应用。不但可实现低IDD和低IQ规格，而且具有高水平的计算能力。多家新老微控制器厂商正在大笔投资这一领域，尤其是低功耗方面。
功率转换

    功率转换和调节是另一个棘手问题。最大化效率的目的是尽量限制功率转换级的数量。为此要放置一系列线性调节器(LDO)以产生电池所需的电压轨，然而这不是最佳方法。对于任何线性调节器(此处考虑的是LDO)，输入与输出电压间的差异越大，浪费的能量越多。LDO的效率n大致可由公式n=(Vo/Vin)×100%给出。因此当Vin接近Vout时，LDO工作效率最高。
    LDO无法存储能量，未传递给负载的能量只能以热量形式耗散掉。功耗PD=(Vin-Vout)×(Iin)。LDO的压差规格用于衡量输入至输出间可以耐受的压降，是影响功率转换和调节级效率的主要因素。即使是单个器件，封装不同也会导致压差规格不同。这是由于特定封装的焊线内存在损耗。芯片级封装在此方面具有出色的性能。
    在设计功率级时，许多设计人员可能直觉地认为开关调节器噪声高、体积大而且太复杂，因而不会考虑舍弃LDO转而使用开关调节器。但开关调节器与LDO相比具有高得多的功率转换效率，特别是在输入与输出电压差异较大时。开关调节器并不一定具有高噪声。通过以下链接了解本话题的一些详细信息：www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Powering_High_Speed_ADCs.pdf。
    当负载无法进入低功耗/休眠模式，或者负载器件的休眠模式消耗太多静态电流时，在电池和负载间使用功率开关是一个不错的方案(例如ADI公司的ADP190)。这些开关可以有效切断从电池到负载的所有功率，仅在需要时为负载供电。
    当然，如果负载需要保留一些逻辑或存储器信息，则不能选择此方案，因为在此配置下器件完全关断。另外，这些功率开关在工作时本身会消耗一定量的电流，但只有100 nA左右，仅为负载器件的静态电流的百分之一到十分之一。当然，由于直接位于输入与输出之间的功率路径内，功率损耗也不可避免。在手机和其他电池供电应用中，这些器件正变得越来越流行。图2所示为典型负载开关。

通信协议
    管理通信协议的软件堆栈可能影响电池寿命。虽然ZigBee正在成为许多应用领域中的常用标准，但实施这种堆栈需要大量代码。代码尺寸变大导致处理器、收发器或两者不得不承担更多代码开销。显然这会缩短电池寿命。
    PopNet和SNAP等替代方案具有较少代码。许多最终用户称这是实施ZigBee的主要障碍。Wi-Fi是另一个有吸引力的选择，因为它是现有基础设施中任何具备现有无线网络的楼宇都能提供的。不过，Wi-Fi的协议堆栈比ZigBee更大。这会带来更多计算和通信开销，从而增加功耗（估计Wi-Fi功耗是ZigBee的两倍）。
    通信协议的系统分割也需要考虑。在典型系统中，微控制器（或类似器件）管理软件堆栈，无线电单元执行物理通信。如果设计人员仅增加这些元件的工作功耗，则可能失之偏颇。一些发射机(例如ADI公司的ADF7023)无需唤醒微控制器便可实施部分软件堆栈管理协议。这意味着微控制器可在休眠模式下保持更长时间，从而降低系统的整体平均功耗。另外，目前一些无线电IC已经嵌入了唤醒定时器，能够自行唤醒，而不依赖微控制器激活。微控制器则可保持休眠模式，直至无线电单元决定需要执行某些通信或计算。
    选择无线电发射机时，需要考虑许多参数。如果用户不受特定协议限制，例如ZigBee（工作于2.4 GHz ISM频段），则RF频段的选择具有重大影响。在相同传输输出功率下，低频比高频发射得更远。也就是说，在相同距离上，低频可在比高频更低的输出功率下发射。具体视环境和其他因素而定，但根据经验，433 MHz ISM频段的工作范围是900 MHz ISM频段的两倍。
    RF接收机的灵敏度会影响发射机需要的输出功率。因此，必须尽可能使用低灵敏度的接收机。这样，发射机便可在尽可能低的功率水平下发射。
    表面上看这只是简单的计算。接收机上的接收信号强度指示器(RSSI)功能可用于测量从发射机接收的信号的强度。还可开发专用算法，向发射机反馈信息，指示输出功率可以降低多少，以便在维持无误差通信的前提下最大程度地降低输出功率，优化电池寿命。
    遗憾的是，以上考虑尚不全面。ISM频段的噪声一向较高，相邻通道间的干扰会影响接收机的可用灵敏度。因此要计算可用灵敏度，还应考虑相邻通道的阻塞性能。
    为了强调这一点，试举一例，如图3所示。现在考虑使用两种不同的接收机接收强度为-80 dBm的信号。接收机A灵敏度为-101 dBm，相邻通道阻塞为34 dBm。接收机B灵敏度为-95 dBm，相邻通道阻塞为48 dBm。表面上看，接收机A是正确选择，它可以接收低至-101 dBm的信号，低于接收机B的-95 dBm。

图3 相邻通道阻塞

    但现在假设目标通道的相邻通道内有-40 dB的干扰信号。这只是ISM频段无线传输中的典型值。接收机的可用灵敏度按（相邻通道干扰幅度-接收机阻塞能力）计算。
    (1)接收机A的相邻通道阻塞规格为34 dBm。因此它只能将干扰信号衰减34 dBm，即从-40 dBm衰减至-74 dBm。
    (2)接收机B的相邻通道阻塞规格为48 dBm。它可以将干扰信号衰减48 dBm，即从-40 dBm衰减至-88 dBm。
    由此看出，接收机A的灵敏度规格为-101 dBm，在相邻通道无干扰的理想情况下良好。但在现实示例中，由于相邻通道干扰过大，它无法接收低于-74 dBm的任何信号。另一方面，接收机B可在-88 dBm的灵敏度下工作，事实上更适合该系统。这样就可以在开发软件算法时考虑上述条件，以通知发射机优化发射输出功率，实现这一性能。
    收发器跳频是优化功耗的另一方式。在干扰信号多的高噪声环境中，发射机可能需要提升输出功率来克服高噪声相邻器件，确保发射的数据无毁损。然而，如果发射机可以在频段内自由漫游，则可以通过扫描寻找最安静的位置，以便在该频率下以更低的功率水平发射。许多ISM频段收发器IC都集成了跳频能力。
    细抠每一纳安的功耗并非无线家庭自动化系统的真正任务。如同工程设计领域的其他问题一样，最终还要做出一系列权衡。本文介绍了一些良好做法供系统设计人员参考，当然，实际设计中还必须考虑成本因素。